Koło Naukowe Modelowania Elektromagnetycznego

Koło Naukowe Modelowania Elektromagnetycznego
“Stanowisko do charakteryzacji materiałów w zakresie fal milimetrowych”
Motywacja
Na świecie obserwuje się dążenie do wykorzystania wyższych pasm częstotliwości radiowych
do komunikacji między urządzeniami elektroniki użytkowej. Wykorzystywanie fal radiowych
o wyższych częstotliwościach jest jednym z atrakcyjnych sposobów na znaczne zwiększenie
szybkości transmisji. Wspomnieć tu można chociażby o zbliżającej się milowymi krokami
telefonii 5G. Przewiduje się, że niektóre z tych systemów będą wykorzystywać częstotliwości
powyżej 30 GHz, a zatem leżące w tzw. zakresie fal o długościach milimetrowych.
Jednym z głównych problemów stojących na przeszkodzie rozwojowi urządzeń i systemów
pracujących na wysokich częstotliwościach jest fakt, że wiele materiałów, które mogłyby być
w nich wykorzystywane nie zostało jeszcze scharakteryzowanych pod kątem własności
elektrycznych, a przede wszystkim stratności. Co gorsza, na wysokich częstotliwościach
materiały mogą wykazywać znaczną anizotropię, czyli zależność własności od kierunku,
a nawet różnić się pomiędzy sobą w wyniku różnic i rozrzutów w procesach produkcyjnych.
Posiadanie odpowiedniego stanowiska pomiarowego umożliwiłoby członkom Koła,
dyplomantom i pracownikom Politechniki Warszawskiej dokładne poznanie właściwości
materiałów przed podjęciem prac projektowych dotyczących urządzeń i systemów na pasmo
milimetrowe. Stanowisko może także z powodzeniem być główną częścią laboratorium
studenckiego.
Stanowisko będzie służyć głównie do pomiarów materiałów dielektrycznych (czyli izolatorów
elektrycznych), ale można je wykorzystać także do pomiarów ferrytów (czyli materiałów
o własnościach magnetycznych) czy sztucznie wytworzonych metamateriałów o na co dzień
niespotykanych własnościach. Przykładowo tzw. metaekrany Huygensa pozwalają na w zasadzie
dowolne kształtowanie padającej na nie fali. Umożliwia to między innymi wytwarzanie
materiałów idealnie pochłaniających fale czy odbijających je w określony sposób.
Podobne mechanizmy są stosowane w maszynach niewidocznych dla radarów.
Cel projektu
Celem projektu jest zaprojektowanie i zbudowanie stanowiska do przeprowadzania pomiarów
własności elektrycznych różnych materiałów mających potencjał do zastosowania na zakresach
fal milimetrowych.
Opis metody pomiarowej
Stanowisko będzie wykorzystywać tzw. metodę charakteryzacji w wolnej przestrzeni (ang. free
space method). Jej zaletami są szerokopasmowość (w wyniku jednego testu można zmierzyć
własności materiału w dużym zakresie częstotliwości), bezdotykowość i niedestruktywność.
Schemat układu został przedstawiony na rys. 1. Składa się z wektorowego analizatora obwodów
(ang. vector network analyzer – VNA), urządzenia standardowo wykorzystywanego w technice
wysokich częstotliwości, podłączonego do dwóch anten. Jedna z nich wysyła fale milimetrowe
podawane przez VNA, a druga je odbiera, po czym odebrany sygnał jest analizowany przez VNA.
Pomiędzy antenami umieszcza się płytkę badanego materiału. Dodatkowo na antenach
umieszcza się soczewki sprawiające, że fale będą padać na płytkę prawie równomiernie
(czyli jako fala płaska). Na podstawie znajomości zależności między sygnałem padającym
a odebranym można ustalić własności elektryczne (a przy okazji magnetyczne!). Służy do tego
tzw. algorytm Nicholsona-Rossa. Nieco bardziej zaawansowaną wersję stanowiska przedstawia
rys. 2 – może ono być celem późniejszej rozbudowy stanowiska.
Rys. 1. Na podstawie [1].
Rys. 2. Zródło: [2].
Okoliczności sprzyjające realizacji projektu
Członkowie Koła mają dostęp do tokarki sterowanej CNC, znajdującej się na Wydziale Elektroniki
i Technik Informacyjnych (rys. 3.), a także do licencji na oprogramowanie QuickWave, którego
unikalną na skalę światową funkcjonalnością jest możliwość efektywnego modelowania struktur
osiowosymetrycznych. Członkowie Koła są zatem w stanie sami zaprojektować i wytworzyć
potrzebne do projektu anteny. Ponadto, czterech członków Koła posiada zawodowe
doświadczenie w projektowaniu anten, w tym także na pasma milimetrowe. VNA pracujący na
częstotliwościach fal milimetrowych będzie wypożyczony z Instytutu Mikroelektroniki i
Optoelektroniki WEiTI. Kierownik projektu jest zaangażowany w projekt TEAM-TECH pt.
„Dokładne metody charakteryzacji materiałów dla mikroelektroniki w paśmie fal milimetrowych
i subterahercowych”, z którego pochodził będzie wkład własny Koła.
Rys. 3. Tokarka na WEiTI
Źródła:
[1] Agilent Basics of Measuring the Dielectric Properties of Materials – Application note.
[2] George V. Eleftheriades „Huyghens’ Metasurfaces for Antenna Applications”